颗粒材料细观组构表达的动力本构模型研究

Macroscopic mechanical behavior of granular materials is closely related to the composition characteristics, such as particle shape, size, arrangement pattern in meso-scale. The stress value, especially in the loading process, is almost unpredictable in granular material for the meso-structure changing constantly. For in-depth understanding the relationship between the material fabric evolution and macroscopic constitutive hehavior, we carry out a theoretical, experimental and numerical analysis work to study the fabric properties of meso-structure and the dynamic response in granular materials. A particle contact force traces network will be built by the concept of force chains in this work. And parameters of network, related the characteristics of mesoscopic structures, will be calculated by topological methods and statistical methods. Then, the fabric stress and strain, expressing the anisotropy of microscopic particle partten, will be established by fabric tensor. Finally, the constitutive law for granular materials will be developed by characteristics of dynamic response and energy dissipation in mesoscopic structures. This study will provide support for the constitutive theory of granular materials, and the results will also provide a reference for the study of the mechanical properties of granular materials engineering.

颗粒材料的宏观力学性能与细观颗粒形状、大小、排列等组构特性密切相关，特别是在承载时，细观构型演化表现出的应力涨落行为往往难以预测。为深入认识颗粒组构演化对宏观本构关系的影响，本项目拟采用理论分析、力学试验与数值模拟方法开展颗粒材料细观组构与动力特性关系的研究。首先建立力链形式的颗粒接触力压力迹线网络，进行拓扑分析与统计计算，建立颗粒组细观构的特征参数；然后建立组构张量形式的应力应变表达，来描述颗粒构型的各向异性特征；最后通过不同构型的动力响应与能量耗散特征分析，建立能够表达颗粒组构演化的宏观动力本构模型。研究成果可为颗粒材料本构理论研究提供支持，也可为颗粒材料工程力学特性的研究提供参考。

项目重点开展了颗粒材料承载动力过程细观组构特性与宏观本构行为的研究。首先针对颗粒材料承载过程细观特性问题，设计了颗粒力链观测与演化行为研究的光弹试验系统，研制了用于细观颗粒模型试验的多向加载装置；结合离散元与有限元数值计算方法，研究了圆形与椭圆形随机颗粒体系细观力链构型与承载特性关系，分析得到颗粒体系多向加载过程细观结构演化特征及力链构型变化规律；在等效连续位移场理论基础上，通过子域构建和重叠覆盖方法，建立了颗粒材料位移梯度形式的应变张量表达，避免了传统应变张量表达方法中计算域网格的构建，通过算例验证了公式方法的准确性和适用性；针对颗粒材料动力承载过程非线性本构行为问题，提出了与颗粒材料非线性密切相关的空隙域应变表征方法，建立了材料空隙域与颗粒材料本体域应变分离形式，分析了空隙应变与本体应变在材料承载变形过程中的变化特征。通过应力应变算例结果对颗粒材料的宏观等效模量和泊松比等本构参数进行了识别，最终实现了颗粒材料动力承载过程非线性本构行为的表征；考虑颗粒不规则特性与接触摩擦耗能特性，设计不同颗粒接触摩擦系数模拟颗粒体系堆积稳定过程，建立材料稳定坡角与颗粒接触摩擦、颗粒外形的影响关系，研究颗粒材料的等效内摩擦角特性；在完成相关颗粒宏观本构行为工作基础上，进一步探讨了弹性颗粒接触过程中滚动阻尼产生的机理研究。模拟二维弹性圆盘纯滚动动力过程速度衰减及能量变化情况，对颗粒滚动阻尼特性进行了深入探讨，为颗粒介质材料离散元数值模拟中的滚动阻力模型研究提供依据。项目研究成果可为颗粒材料本构理论研究提供支持，并为颗粒材料工程力学特性的研究提供参考。

内容获取失败，请点击重试